微波法合成花狀zno亞納米粒子

微波法合成花狀zno亞納米粒子

zno的寬帶寬寬度和高激子結(jié)合能（室溫分別為3.37和60kv）具有許多優(yōu)異的光學(xué)、聲音和科學(xué)性質(zhì)。此外，zno是少量具有體積效應(yīng)的氧化物之一。禁帶寬度隨著粒子尺寸的減小而增大,從而可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)調(diào)節(jié)粒子尺寸連續(xù)調(diào)節(jié)禁帶寬度。此外,不同形貌的ZnO粒子具有不同的光學(xué)及其它性質(zhì),這些使得ZnO在變阻器、半導(dǎo)體、傳感器等領(lǐng)域具有應(yīng)用前途。不同的方法已被用于合成ZnO納米粒子,其中液相法如沉淀法、水熱法、微乳法、溶膠凝膠法、超聲法等,通過(guò)熱處理不同溶劑中的反應(yīng)物,在相對(duì)較低的溫度下就能獲得結(jié)晶物質(zhì),并可免去進(jìn)Correspondentauthor:XUZheng(1941—),male,professor.E-mail:xuzheng1178@一步的燒結(jié),是一類(lèi)簡(jiǎn)單而有效的方法。而微波與物質(zhì)作用時(shí)表現(xiàn)出的熱效應(yīng)與非熱效應(yīng),使其在超細(xì)粉體材料制備領(lǐng)域得以迅速發(fā)展。為此,通過(guò)水浴加熱水解和微波加熱水解法分別合成出棒狀和花狀ZnO亞納米粒子。1實(shí)驗(yàn)1.1znac2沉淀的制備實(shí)驗(yàn)所用原料為:ZnAc2·2H2O(AR);氨水(25%);無(wú)水乙醇(AR)。稱(chēng)取0.2195gZnAc2·2H2O溶于200mL去離子水中,制得0.005mol/L的ZnAc2溶液。待溶解完全后,逐滴加入氨水調(diào)節(jié)pH值至11.17。將所得溶液分成2份。一份在80℃水浴中加熱1h,另一份放入微波爐中以中火(功率500W)加熱2min,上述2種方法制得的沉淀經(jīng)離心分離以及去離子水和無(wú)水乙醇洗滌后,在空氣中60℃下干燥4h,得到白色粉末,分別記作樣品A和樣品B。實(shí)驗(yàn)采用WP700型LG微波爐,微波輸出頻率為2.45GHz,輸出功率為0~700W。1.2cuk輻射管電壓/管電流計(jì)算用D/maxrB型粉末X射線衍射(X-raydiffraction,XRD)儀,對(duì)粉體進(jìn)行物相分析,CuKα輻射,管電壓為40kV,管電流為60mA,λ=0.154056nm。用Hitachi800型透射電子顯微鏡(transmissionelectronmicroscope,TEM)分析粉體進(jìn)行形貌,加速電壓為200kV。2結(jié)果和討論2.1衍射峰的結(jié)構(gòu)圖1為2種樣品的XRD譜。結(jié)果表明:衍射峰尖銳,結(jié)晶性良好;所有衍射峰均能與六方晶系ZnO(空間群P63mc)的JCPDS卡片361451相對(duì)應(yīng),無(wú)雜質(zhì)相[如Zn(OH)2]衍射峰存在,說(shuō)明產(chǎn)物主要為六方晶系ZnO。2.2zno亞納米粒子圖2為水浴加熱水解合成的樣品A的TEM照片。從圖2可以看出:其形貌為棒狀,直徑約為100~300nm,長(zhǎng)度約為450~900nm。圖2左上角插入的分別是單個(gè)ZnO亞納米粒子的形貌特寫(xiě)及對(duì)應(yīng)的選區(qū)電子衍射(selectedareaelectrondiffraction,SAED)圖,SAED圖顯示棒狀ZnO亞納米粒子為單晶結(jié)構(gòu),沿c軸方向擇優(yōu)生長(zhǎng)。圖3為微波加熱水解合成的樣品B的TEM照片,可以看出其形貌為均勻的花狀,花瓣直徑約為200nm。2.3微波加熱水解法ZnAc2溶液中滴加氨水到一定量時(shí),Zn2+主要被NH3絡(luò)合生成[Zn(NH3)4]2+絡(luò)合物。一定條件下加熱該溶液,將發(fā)生如下反應(yīng):[Zn(NH3)4]2++2OH??→??????????????????????HeatedinwaterbathorinmicrowavefieldZnO(1)[Ζn(ΝΗ3)4]2++2ΟΗ-→ΗeatedinwaterbathorinmicrowavefieldΖnΟ(1)即[Zn(NH3)4]2+絡(luò)合物溶液直接水解生成ZnO沉淀。沉淀的形成過(guò)程可分為2步,即晶核的形成及晶核的長(zhǎng)大。當(dāng)溶液中的構(gòu)晶離子達(dá)到一定濃度后,一定數(shù)目的構(gòu)晶離子通過(guò)相互碰撞,在靜電引力的作用下締合起來(lái),聚集成微小的晶核;當(dāng)溶液中生成晶核后,構(gòu)晶離子繼續(xù)向晶核表面擴(kuò)散,并在晶核上沉積下來(lái),使晶核長(zhǎng)大,當(dāng)達(dá)到一定數(shù)目的離子時(shí),就形成沉淀微粒。晶核形成是構(gòu)晶離子的聚集過(guò)程,其長(zhǎng)大過(guò)程則是構(gòu)晶離子的定向排列過(guò)程,而沉淀微粒的形貌就是由這一定向排列過(guò)程決定的。ZnO極性晶體的生長(zhǎng)習(xí)性決定了其粒子沿c軸方向擇優(yōu)生長(zhǎng),在水浴溫度為80℃時(shí),反應(yīng)物分散均勻,構(gòu)晶離子的擴(kuò)散受到的限制較大,易形成單個(gè)的棒狀形貌,這同前面的TEM和SAED圖顯示的結(jié)果一致;而在微波加熱水解條件下,升溫速率極快,晶核的融合非常劇烈,晶核生長(zhǎng)受到的限制小,則易形成復(fù)雜的花狀形貌。沉淀微粒的大小是由晶核形成和晶核生長(zhǎng)2個(gè)過(guò)程的相對(duì)速率來(lái)決定的。采用傳統(tǒng)的加熱方式,如烘箱或水浴,由于是靠對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射3種方式,開(kāi)始反應(yīng)的速度較慢,沉淀相瞬間過(guò)飽和度小,晶核不可能一下子形成,容易形成多次成核。此外,在反應(yīng)初期建立熱平衡以前,體系從外到內(nèi)有一個(gè)溫度梯度,不同區(qū)域的成核和晶核生長(zhǎng)是不同步的,這勢(shì)必影響粒子的尺寸和均勻性。而微波加熱條件下,由于微波能使整個(gè)體系在很短的時(shí)間內(nèi)被更均勻地加熱,大大消除了溫度梯度的影響,同時(shí)使沉淀相在瞬間內(nèi)萌發(fā)成核,從而獲得均勻粒子,反應(yīng)時(shí)間也較水浴加熱大大縮短。因此,采用水浴加熱的樣品A粒子尺寸不均,而微波加熱的樣品B粒子尺寸分布十分狹窄,非常均勻。3微波加熱水解法使用[Zn(NH3)4]2+絡(luò)合物溶液水解能直接合成ZnO亞納米粒子。水浴加熱水解法合成的ZnO棒狀亞納米粒子的直徑約為1